Cloaking Device Concept Geht Über Die Theorie Hinaus

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Graeme milton erarbeitet neue materialien, entwickelt mathematische formeln, um sie zu beschreiben und überlässt es anderen, ihre nützlichkeit zu konstruieren und zu demonstrieren.

Dieser Artikel hinter den Kulissen wurde WordsSideKick.com in Partnerschaft mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Der angewandte Mathematiker Graeme Milton träumt neue Materialien aus, entwickelt mathematische Formeln, um sie zu beschreiben, und überlässt es anderen, ihre Neuheiten und ihren Nutzen in einem Labor zu konstruieren und zu demonstrieren.

Während viele seiner theoretischen Überlegungen in von Experten begutachteten Fachzeitschriften veröffentlicht werden, ist seine Forschung über eine Superlinse mit der Fähigkeit, ein Objekt zu verstecken oder zu "verhüllen", den in Star Trek und Harry Potter porträtierten Tarnvorrichtungen zu ähnlich, um in den Annalen von New York zu bleiben Akademie.

Das Konzept einer Superlinse stammt ursprünglich von Sir John Pendry im Jahr 2000 - obwohl Milton und seine Kollegen Nicolae Nicorovici und Ross McPhedran bereits 1994 eng miteinander verwandte Studien durchgeführt haben - und das Konzept wurde eingehend untersucht. Doch niemand hatte die Eigenschaften der Tarnung erkannt, bis sie von Miltons Forschung entdeckt wurden.

Das Konzept eines Superlens-Umhangs ist weit von einem funktionsfähigen Gerät entfernt, aber die Integrität des mathematischen Konzepts hat einige Experimentatoren ins Labor geschickt, um die Theorie in die Realität umzusetzen. Bisher sind die Gruppen, die in diesem Bereich arbeiten, nicht bereit, Papiere zu veröffentlichen, aber sie haben genug erreicht, um es weiter zu versuchen.

"Wir sind weit weg vom Star Trek-Gerät, aber einige der bisher erzielten experimentellen Ergebnisse sind überraschend und aufregend", sagte Milton.

Milton forscht an der University of Utah, wo die Mathematikabteilung einige der besten Wissenschaftler der USA für das Studium der Mathematik neuer Materialien hat.

Während die Kollegen Milton bei der Materialmathematik zu den "Besten der Welt" zählen, war er nicht immer so hoch eingestuft. Milton, der in Sydney, Australien, geboren wurde, war kurz davor, sein zweites Jahr an der Sydney University zu scheitern, weil er so viel über fortgeschrittene Themen wie Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie gelesen hatte, dass er seinen regulären Unterricht nicht besuchte und schließlich auch nicht brach die Schule ab, um ein Jahr per Anhalter durch Neuseeland zu verbringen.

Später kehrte er an die Universität zurück, um sich anzuschließen und seinen Bachelor- und Master-Abschluss in Physik zu erwerben, gefolgt von einem Doktortitel in Physik an der Cornell University. Seine Liebe zur Natur führte ihn dazu, den Job in Utah anzunehmen - er tut sein Bestes beim Skifahren, Mountainbiken, Schwimmen und Rennradfahren.

Die von Milton und Nicorovici theoretisierte Superlinse umhüllt ein Objekt in der Nähe, indem sie das Licht ungewöhnlich verhalten lässt. Anstatt einen positiven Brechungsindex zu haben, der das Licht so biegt, wie es beim Übergang von Luft in ein Medium wie Glas oder Wasser der Fall ist, hat die Superlinse einen negativen Brechungsindex, der bewirkt, dass sich das Licht umkehrt und rückwärts wandert. Wenn ein Objekt neben der Superlinse platziert wird, wird das von dem Objekt reflektierte Licht durch das von der Superlinse reflektierte Licht aufgehoben, wodurch das Objekt unsichtbar wird. Milton sagte, das von Milton und Nicorovici theoretisierte und vom Computer bestätigte Phänomen sei ein bisschen analog zu den Geräuschunterdrückungskopfhörern, die die Passagiere in Flugzeugen tragen.

"An diesem Punkt würden Experimente als erfolgreich angesehen, wenn sie mit einer einzigen Lichtfrequenz arbeiteten und ein paar Staubflecken umhüllten, und das umhüllte Objekt würde viel kleiner sein müssen als die Superlinse", sagte Milton. Trotz der Herausforderung arbeitet eine Gruppe von Wissenschaftlern derzeit daran, den Proof of Principle zu beweisen. "Sie haben einige Fortschritte gemacht, wollen aber noch etwas arbeiten, bevor sie ihre Ergebnisse in eine Zeitung bringen", fügte er hinzu.

Mögliche frühe Anwendungen für ein Tarngerät sind vielfältig. Während militärische Stealth-Geräte eine naheliegende Option sind, wird in der Medizin ein Ansatz verfolgt, bei dem das Konzept die Verwendung bestimmter elektronischer Instrumente trotz starker elektromagnetischer Felder, wie sie beispielsweise von Gehirnscannern in Krankenhäusern erzeugt werden, ermöglichen würde. Milton und andere Forscher haben auch verwandte Arbeiten durchgeführt, die möglicherweise die elastischen Stoßwellen von Erdbeben um Gebäude lenken könnten.

Während praktische Anwendungen Spaß machen, darüber zu spekulieren, schätzen Mathematiker die neue Mathematik, die das Konzept vorstellt, ebenso sehr.

"Die Ergebnisse werden zu einem besseren Verständnis partieller Differentialgleichungen führen, was zu einem besseren Verständnis der Ausbreitung von Schall, Licht, Flüssigkeit und Turbulenzen führt", sagte Milton. Die neue Mathematik wird Wissenschaftlern auch dabei helfen, das neue Gebiet der Metamaterialien besser zu verstehen - eine Familie neuer Materialien mit Eigenschaften, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht zu sehen sind. "Bestehende Gesetze beschreiben nicht ausreichend Materialien mit exotischen Mikrostrukturen, die mit einigen Metamaterialien in Verbindung stehen."

Durch die Entwicklung neuer Materialien sind Milton und seine Kollegen überhaupt erst in die Superlinse gekommen. Die Eigenschaften eines Metamaterials werden eher durch seine innere Struktur als durch seine Zusammensetzung bestimmt. Seine Aufgabe erfordert es, neue geometrische Strukturen zu entdecken oder zu entwerfen und dann mathematische Formeln zu entwickeln, um ihre Eigenschaften zu beweisen. Er arbeitete in seinem Heimatland Australien an einem Verbundwerkstoff aus beschichteten Zylindern, als er realisierte, dass die Zylinder Licht auf unkonventionelle Weise fokussieren können.Diese Entdeckung führte schließlich zu seinem mathematischen Modell für den Superlens-Mantel.

  • Video: Cloaking-Konzept geht über die Theorie hinaus
  • Video: Licht geht rückwärts
  • Video: Einfrierendes Licht

Anmerkung des Herausgebers: Diese Forschung wurde von der National Science Foundation (NSF) unterstützt, der Bundesbehörde für die Finanzierung von Grundlagenforschung und -bildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik. Siehe das Archiv hinter den Kulissen.


Videoergänzungsan: The Haunting of Hill House by Shirley Jackson - Full Audiobook (with captions).




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